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物质是由大量分子组成的

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j.Co M 物质是由大量分子组成的教案示例(之一)

一、目标
1.在物理知识方面的要求:
(1)知道一般分子直径和质量的数量级;
(2)知道阿伏伽德罗常数的含义,记住这个常数的数值和单位;
(3)知道用单分子油膜方法估算分子的直径。
2.培养学生在物理学中的估算能力,会通过阿伏伽德罗常数估算固体和液体分子的质量、分子的体积(或直径)、分子数等微观量。
3.渗透物理学方法的教育。运用理想化方法,建立物质分子是球形体的模型,是为了简化计算,突出主要因素的理想化方法。
二、重点、难点分析
1.重点有两个,其一是使学生理解和学会用单分子油膜法估算分子大小(直径)的方法;其二是运用阿伏伽德罗常数估算微观量(分子的体积、直径、分子数等)的方法。
2.尽管今天科学技术已经达到很高的水平,但是在物理课上还不能给学生展现出分子的真实形状和分子的外观。这给讲授分子的知识带来一定的困难,也更突出了运用估算方法和建立理想模型方法研究固体、液体分子的体积、直径、分子数的重要意义。
三、教具
1.挂图或幻灯投影片:水面上单分子油膜的示意图;离子显微镜下看到钨原子分布的图样。
2.演示实验:演示单分子油膜:油酸酒精溶液(1:20O),滴管,直径约20cm圆形水槽,烧杯,画有方格线的透明塑料板。
四、主要教学过程
(一)热学内容简介
1.热现象:与温度有关的物理现象。如热胀冷缩、摩擦生热、水结冰、湿衣服晾干等都是热现象。
2.热学的主要内容:热传递、热膨胀、物态变化、固体、液体、气体的性质等。
3.热学的基本理论:由于热现象的本质是大量分子的无规则运动,因此研究热学的基本理论是分子动理论、量守恒规律。
(二)新课教学过程
1.分子的大小。分子是看不见的,怎样能知道分子的大小呢?
(1)单分子油膜法是最粗略地说明分子大小的一种方法。
介绍并定性地演示:如果油在水面上尽可能地散开,可认为在水面上形成单分子油膜,可以通过幻灯观察到,并且利用已制好的方格透明胶片盖在水面上,用于测定油膜面积。如图1所示。

提问:已知一滴油的体积V和水面上油膜面积S,那么这种油分子的直径是多少?
在学生回答的基础上,还要指出:
①介绍数量级这个数学名词,一些数据太大,或很小,为了书写方便,习惯上用科学记数法写成10的乘方数,如3×10-10m。我们把10的乘方数叫做数量级,那么1×10-10m和9×10-10m,数量级都是10-10m。
②如果分子直径为d,油滴体积是V,油膜面积为S,则d=V/S,根据估算得出分子直径的数量级为10-10m。
(2)利用离子显微镜测定分子的直径。
看物理课本上彩色插图,钨针的尖端原子分布的图样:插图的中心部分亮点直接反映钨原子排列情况。经过计算得出钨原子之间的距离是2×10-10m。如果设想钨原子是一个挨着一个排列的话,那么钨原子之间的距离L就等于钨原子的直径d,如图2所示。

(3)物理学中还有其他不同方法来测量分子的大小,用不同方法测量出分子的大小并不完全相同,但是数量级是相同的。测量结果表明,一般分子直径的数量级是10-10m。例如水分子直径是4×10-10m,氢分子直径是2.3×10-10m。
(4)指出认为分子是小球形是一种近似模型,是简化地处理问题,实际分子结构很复杂,但通过估算分子大小的数量级,对分子的大小有了较深入的认识。
2.阿伏伽德罗常数
向学生提问:在化学课上学过的阿伏伽德罗常数是什么意义?数值是多少?明确1mol物质中含有的微粒数(包括原子数、分子数、离子数……)都相同。此数叫阿伏伽德罗常数,可用符号NA表示此常数, NA=6.02×1023个/mol,粗略计算可用NA=6×1023个/mol。(阿伏伽德罗常数是一个基本常数,科学工作者不断用各种方法测量它,以期得到它精确的数值。)
再问学生,摩尔质量、摩尔体积的意义。
如果已经知道分子的大小,不难粗略算出阿伏伽德罗常数。例如,1mol水的质量是0.018kg,体积是1.8×10-5m3。每个水分子的直径是4×10-10m,它的体积是(4×10-10)m3=3×10-29m3。如果设想水分子是一个挨着一个排列的。
提问学生:如何算出1mol水中所含的水分子数?

3.微观物理量的估算
若已知阿伏伽德罗常数,可对液体、固体的分子大小进行估算。事先我们假定近似地认为液体和固体的分子是一个挨一个排列的(气体不能这样假设)。
提问学生:1mol水的质量是M=18g,那么每个水分子质量如何求?

提问学生:若已知铁的相对原子质量是56,铁的密度是7.8×103kg/m3,试求质量是1g的铁块中铁原子的数目(取1位有效数字)。又问:是否可以计算出铁原子的直径是多少来?


归纳总结:以上计算分子的数量、分子的直径,都需要借助于阿伏伽德罗常数。因此可以说,阿伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积(直径)等这些微观量联系起来。
阿伏伽德罗常数是自然科学的一个重要常数(曾经学过的万有引力常量也是一个重要常数)。物理常数是物理世界客观规律的反映。一百多年来,物理学家想出各种办法来测量它,不断地努力,使用一次比一次更精确的测量方法。现在测定它的精确值是NA=6.022045×1023/mol。
(三)课堂练习
1.体积是10-4cm3的油滴滴于水中,若展开成一单分子油膜,则油膜面积的数量级是
A.102cm2B.104cm2C.106cm2D. 108cm2
答案:B
2.已知铜的密度是8.9×103kg/m3,铜的摩尔质量是63.5×10-3kg/mol。体积是4.5cm3的铜块中,含有多少原子?并估算铜分子的大小。
答案:3.8×1023, 3×10-10m
(四)课堂小结
1.物体是由体积很小的分子组成的。这一结论有坚实的实验基础。单分子油膜实验等实验是上述结论的有力依据。分子直径大约有10-10m的数量级。
2.阿伏伽德罗常数是物理学中的一个重要常数,它的意义和常数数值应该记住。
3.学会计算微观世界的物理量(如分子数目、分子质量、分子直径等)的一般方法。由于微观量是不能直接测量的,人们可以测定宏观物理量,用阿伏伽德罗常数作为桥梁,间接计算出微观量来。如分子质量m,可通过物质摩尔质量M和阿伏伽德罗常数NA,得到m=M/NA。通过物质摩尔质量 M、密度 ρ、阿伏伽德罗常数NA,计算出分子直径
(五)说明
1.由于课堂内时间限制,单分子油膜法测定分子直径的实验不可能在课堂上完成全过程。在课堂上让学生看到油膜散开现象和油膜面积的测量方法即可。
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